CN107802346A - 一种基于惯性制导的超声融合导航系统及方法 - Google Patents

一种基于惯性制导的超声融合导航系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于惯性制导的超声融合导航系统及方法，该系统包括超声影像模块、探头定位模块和导航处理模块；超声影像模块用于获取目标组织的超声影像；探头定位模块采用捷联惯性制导定位技术得到超声探头的空间位置参数；导航处理模块包括：输入单元，用于输入多种数据来源的医学影像参数和人工设置的热点位置信息；重建单元，用于根据所述医学影像参数对目标组织的空间结构进行三维重建；模拟单元，用于根据所述空间位置参数及热点位置信息，在重建的目标组织的空间结构上生成模拟的探头截面影像；显示单元，用于显示所述目标组织的超声图像、目标组织的空间结构及探头截面影像。本发明能够实现任意空间位置的准确定位。

Description

一种基于惯性制导的超声融合导航系统及方法
技术领域
本发明涉及超声导航领域，特别是涉及一种基于惯性制导的超声融合导航系统及方法。
背景技术
超声导航在精准外科方向的临床使用越来越多，已成为重要的辅助治疗手段。结合多种来源的医学影像数据的超声融合导航，既具备了比传统超声更精细的医学影像学结构，又具备了超声实时影像的特点，可以完成更加精准的检查与临床操作。目前已有的超声导航系统，依靠电磁定位或者光学定位装置来实时获取超声探头的空间位置参数，其存在以下问题：
1、系统结构复杂，需要外围安置传感系统，如电磁定位引导系统，需要有外置的定位磁场发射器，探头磁感受器；
2、光学定位装置受体位影响大，存在体位遮挡问题，会影响定位结果，同时系统结构复杂，不利于临床工作开展；
3、电磁定位存在环境电磁干扰问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于惯性制导的超声融合导航系统及方法，能够实现任意空间位置的准确定位。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于惯性制导的超声融合导航系统，包括超声影像模块、探头定位模块和导航处理模块，所述超声影像模块和探头定位模块内置于超声探头内或者刚性连接于超声探头上；所述超声影像模块用于获取目标组织的超声影像；所述探头定位模块包括：捷联惯性测量单元，用于通过三轴陀螺测得超声探头在惯性参考系的三轴角速度信息以及通过三轴加速度计测得超声探头在惯性参考系的三轴加速度信息；坐标变换单元，用于将惯性参考系的三轴角速度信息和三轴加速度信息变换到导航坐标系；导航定位单元，用于对导航坐标系的三轴角速度信息和三轴加速度信息进行导航积分计算得到超声探头的空间位置参数；所述导航处理模块包括：输入单元，用于输入多种数据来源的医学影像参数和人工设置的热点位置信息；重建单元，用于根据所述医学影像参数对目标组织的空间结构进行三维重建；模拟单元，用于根据所述空间位置参数及热点位置信息，在重建的目标组织的空间结构上生成模拟的探头截面影像；显示单元，用于显示所述目标组织的超声图像、目标组织的空间结构及探头截面影像。
其中，所述超声影像模块具体包括：超声收发单元，用于发射超声脉冲，并接收所述超声脉冲于目标组织中的回波信息；成像单元，用于处理所述回波信息以生成所述目标组织的超声图像。
其中，所述导航处理模块还包括：存储单元，用于存储所述医学影像参数、目标组织的空间结构、目标组织的超声图像、探头截面影像和超声探头的空间位置参数。
其中，所述显示单元还提供显示子窗口，所述显示子窗口用于显示所述目标组织的超声图像与探头截面影像的融合情况。
其中，所述目标组织的超声图像与探头截面影像的融合区域采用预定标记进行显示。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种基于惯性制导的超声融合导航方法，包括以下步骤：获取目标组织的超声影像；通过三轴陀螺测得超声探头在惯性参考系的三轴角速度信息以及通过三轴加速度计测得超声探头在惯性参考系的三轴加速度信息；将惯性参考系的三轴角速度信息和三轴加速度信息变换到导航坐标系；对导航坐标系的三轴角速度信息和三轴加速度信息进行导航积分计算得到超声探头的空间位置参数；输入多种数据来源的医学影像参数和人工设置的热点位置信息；根据所述医学影像参数对目标组织的空间结构进行三维重建；根据所述空间位置参数及热点位置信息，在重建的目标组织的空间结构上生成模拟的探头截面影像；显示所述目标组织的超声图像、目标组织的空间结构及探头截面影像。
其中，所述获取目标组织的超声影像的步骤具体包括：发射超声脉冲，并接收所述超声脉冲于目标组织中的回波信息；处理所述回波信息以生成所述目标组织的超声图像。
其中，所述超声融合导航方法还包括：存储所述医学影像参数、目标组织的空间结构、目标组织的超声图像、探头截面影像和超声探头的空间位置参数。
其中，所述显示所述目标组织的超声图像、目标组织的空间结构及探头截面影像的步骤还包括：提供显示子窗口，所述显示子窗口用于显示所述目标组织的超声图像与探头截面影像的融合情况。
其中，所述目标组织的超声图像与探头截面影像的融合区域采用预定标记进行显示。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的基于惯性制导的超声融合导航系统及方法运用捷联惯性制导定位技术，结合医学影像数据实现目标组织的超声图像、目标组织的空间结构及探头截面影像的融合显示，克服了超声导航系统结构复杂、外部设备多、存在电磁场干扰等缺陷，能够实现任意空间位置的准确定位，具有结构简单、定位准确、体积小、重量轻、无辐射、受环境因素影响小等优点，有利于超声导航临床运用的推广。
附图说明
图1是本发明实施例基于惯性制导的超声融合导航系统的结构示意图；
图2是本发明实施例基于惯性制导的超声融合导航方法的流程示意图。
具体实施例
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，是本发明实施例基于惯性制导的超声融合导航系统的结构示意图。本发明实施例基于惯性制导的超声融合导航系统包括超声影像模块10、探头定位模块20和导航处理模块30，超声影像模块10和探头定位模块20内置于超声探头1内或者刚性连接于超声探头1上，在本实施例中，超声影像模块10和探头定位模块20均刚性连接于超声探头1上。超声探头1可采用相控阵探头、线阵探头、介入小凸探头以及3D/4D探头中的任意一种。
超声影像模块10用于获取目标组织的超声影像。
探头定位模块20包括捷联惯性测量单元21、坐标变换单元22以及导航定位单元23，坐标变换单元22连接于捷联惯性测量单元21，导航定位单元23连接于坐标变换单元22。
其中，捷联惯性测量单元21用于通过三轴陀螺测得超声探头1在惯性参考系的三轴角速度信息以及通过三轴加速度计测得超声探头1在惯性参考系的三轴加速度信息。
坐标变换单元22用于将惯性参考系的三轴角速度信息和三轴加速度信息变换到导航坐标系。
导航定位单元23用于对导航坐标系的三轴角速度信息和三轴加速度信息进行导航积分计算得到超声探头1的空间位置参数。其中，空间位置参数包括超声探头1的位置、速度和姿态等信息。
导航处理模块30包括输入单元31、重建单元32、模拟单元33和显示单元34，重建单元32连接于输入单元31，模拟单元33连接于输入单元31和重建单元32，显示单元34连接于超声影像模块10、重建单元32和模拟单元33。
其中，输入单元31用于输入多种数据来源的医学影像参数和人工设置的热点位置信息。多种数据来源包括CT、MRI等医学检查数据。
重建单元32用于根据医学影像参数对目标组织的空间结构进行三维重建。
模拟单元33用于根据空间位置参数及热点位置信息，在重建的目标组织的空间结构上生成模拟的探头截面影像。其中，探头截面影像为任意位置的影像。
显示单元34用于显示目标组织的超声图像、目标组织的空间结构及探头截面影像。在本实施例中，显示单元34还提供显示子窗口，显示子窗口用于显示目标组织的超声图像与探头截面影像的融合情况。目标组织的超声图像与探头截面影像的融合区域可采用预定标记进行显示。例如以彩色或轮廓线进行显示。
在本实施例中，超声影像模块10具体包括超声收发单元11和成像单元12。超声收发单元11用于发射超声脉冲，并接收超声脉冲于目标组织中的回波信息；成像单元12用于处理回波信息以生成目标组织的超声图像。
进一步的，在本实施例中，导航处理模块30还包括存储单元35，存储单元35连接于输入单元31、显示单元34和导航定位单元23。存储单元35用于存储医学影像参数、目标组织的空间结构、目标组织的超声图像、探头截面影像和超声探头的空间位置参数。
参阅图2，是本发明实施例基于惯性制导的超声融合导航方法的流程示意图。本实施例的超声融合导航方法包括以下步骤：
步骤S11：获取目标组织的超声影像。
步骤S12：通过三轴陀螺测得超声探头在惯性参考系的三轴角速度信息以及通过三轴加速度计测得超声探头在惯性参考系的三轴加速度信息。
步骤S13：将惯性参考系的三轴角速度信息和三轴加速度信息变换到导航坐标系。
步骤S14：对导航坐标系的三轴角速度信息和三轴加速度信息进行导航积分计算得到超声探头的空间位置参数。
步骤S15：输入多种数据来源的医学影像参数和人工设置的热点位置信息。其中，多种数据来源包括CT、MRI等医学检查数据。
步骤S16：根据医学影像参数对目标组织的空间结构进行三维重建。
步骤S17：根据空间位置参数及热点位置信息，在重建的目标组织的空间结构上生成模拟的探头截面影像。其中，探头截面影像为任意位置的影像。
步骤S18：显示目标组织的超声图像、目标组织的空间结构及探头截面影像。在本实施例中，步骤S18还包括：提供显示子窗口，显示子窗口用于显示目标组织的超声图像与探头截面影像的融合情况。目标组织的超声图像与探头截面影像的融合区域可采用预定标记进行显示。例如以彩色或轮廓线进行显示。
在本实施例中，步骤S11具体包括：发射超声脉冲，并接收超声脉冲于目标组织中的回波信息；处理回波信息以生成目标组织的超声图像。
进一步的，在本实施例中，超声融合导航方法还包括：存储医学影像参数、目标组织的空间结构、目标组织的超声图像、探头截面影像和超声探头的空间位置参数。
通过上述方式，本发明提供的基于惯性制导的超声融合导航系统及方法，系统结构简单，定位准确、体积小、重量轻、无辐射、受环境因素影响小，通过捷联惯性制导定位技术的实时导航算法，对目标组织的超声图像、目标组织的空间结构及探头截面影像进行同屏显示，克服了传统超声导航系统结构复杂、外部设备多、存在电磁场干扰等问题，为穿刺的临床应用提供更加有效的方法。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于惯性制导的超声融合导航系统，其特征在于，包括超声影像模块、探头定位模块和导航处理模块，所述超声影像模块和探头定位模块内置于超声探头内或者刚性连接于超声探头上；
所述超声影像模块用于获取目标组织的超声影像；
所述探头定位模块包括：
捷联惯性测量单元，用于通过三轴陀螺测得超声探头在惯性参考系的三轴角速度信息以及通过三轴加速度计测得超声探头在惯性参考系的三轴加速度信息；
坐标变换单元，用于将惯性参考系的三轴角速度信息和三轴加速度信息变换到导航坐标系；
导航定位单元，用于对导航坐标系的三轴角速度信息和三轴加速度信息进行导航积分计算得到超声探头的空间位置参数；
所述导航处理模块包括：
输入单元，用于输入多种数据来源的医学影像参数和人工设置的热点位置信息；
重建单元，用于根据所述医学影像参数对目标组织的空间结构进行三维重建；
模拟单元，用于根据所述空间位置参数及热点位置信息，在重建的目标组织的空间结构上生成模拟的探头截面影像；
显示单元，用于显示所述目标组织的超声图像、目标组织的空间结构及探头截面影像。
2.根据权利要求1所述的基于惯性制导的超声融合导航系统，其特征在于，所述超声影像模块具体包括：
超声收发单元，用于发射超声脉冲，并接收所述超声脉冲于目标组织中的回波信息；
成像单元，用于处理所述回波信息以生成所述目标组织的超声图像。
3.根据权利要求1或2所述的基于惯性制导的超声融合导航系统，其特征在于，所述导航处理模块还包括：
存储单元，用于存储所述医学影像参数、目标组织的空间结构、目标组织的超声图像、探头截面影像和超声探头的空间位置参数。
4.根据权利要求1所述的基于惯性制导的超声融合导航系统，其特征在于，所述显示单元还提供显示子窗口，所述显示子窗口用于显示所述目标组织的超声图像与探头截面影像的融合情况。
5.根据权利要求4所述的基于惯性制导的超声融合导航系统，其特征在于，所述目标组织的超声图像与探头截面影像的融合区域采用预定标记进行显示。
6.一种基于惯性制导的超声融合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取目标组织的超声影像；
通过三轴陀螺测得超声探头在惯性参考系的三轴角速度信息以及通过三轴加速度计测得超声探头在惯性参考系的三轴加速度信息；
将惯性参考系的三轴角速度信息和三轴加速度信息变换到导航坐标系；
对导航坐标系的三轴角速度信息和三轴加速度信息进行导航积分计算得到超声探头的空间位置参数；
输入多种数据来源的医学影像参数和人工设置的热点位置信息；
根据所述医学影像参数对目标组织的空间结构进行三维重建；
根据所述空间位置参数及热点位置信息，在重建的目标组织的空间结构上生成模拟的探头截面影像；
显示所述目标组织的超声图像、目标组织的空间结构及探头截面影像。
7.根据权利要求6所述的基于惯性制导的超声融合导航方法，其特征在于，所述获取目标组织的超声影像的步骤具体包括：
发射超声脉冲，并接收所述超声脉冲于目标组织中的回波信息；
处理所述回波信息以生成所述目标组织的超声图像。
8.根据权利要求6或7所述的基于惯性制导的超声融合导航方法，其特征在于，所述超声融合导航方法还包括：
存储所述医学影像参数、目标组织的空间结构、目标组织的超声图像、探头截面影像和超声探头的空间位置参数。
9.根据权利要求6所述的基于惯性制导的超声融合导航方法，其特征在于，所述显示所述目标组织的超声图像、目标组织的空间结构及探头截面影像的步骤还包括：
提供显示子窗口，所述显示子窗口用于显示所述目标组织的超声图像与探头截面影像的融合情况。
10.根据权利要求9所述的基于惯性制导的超声融合导航方法，其特征在于，所述目标组织的超声图像与探头截面影像的融合区域采用预定标记进行显示。
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